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    <meta name="description" content="概述二叉查找树（Binary Search Tree，也叫二叉排序树，即Binary Sort Tree）能够支持多种动态集合操作，它可以用来表示有序集合、建立索引等，因而在实际应用中，二叉排序树是一种非常重要的数据结构。 从算法复杂度角度考虑，我们知道，作用于二叉查找树上的基本操作（如查找，插入等）的时间复杂度与树的高度成正比。对一个含n个节点的完全二叉树，这些操作的最坏情况运行时间为O(log">
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            <h1 style="display: none">伸展树(splay)</h1>
            
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              <h1 id="概述"><a href="#概述" class="headerlink" title="概述"></a>概述</h1><p>二叉查找树（Binary Search Tree，也叫二叉排序树，即Binary Sort Tree）能够支持多种动态集合操作，它可以用来表示有序集合、建立索引等，因而在实际应用中，二叉排序树是一种非常重要的数据结构。</p>
<p>从算法复杂度角度考虑，我们知道，作用于二叉查找树上的基本操作（如查找，插入等）的时间复杂度与树的高度成正比。对一个含n个节点的完全二叉树，这些操作的最坏情况运行时间为O(log n)。但如果因为频繁的删除和插入操作，导致树退化成一个n个节点的线性链（此时即为一个单链表），则这些操作的最坏情况运行时间为O(n)。为了克服以上缺点，很多二叉查找树的变形出现了，如红黑树、AVL树，Treap树等。</p>
<h1 id="splay-特点"><a href="#splay-特点" class="headerlink" title="splay 特点"></a>splay 特点</h1><p>伸展树(Splay Tree)是二叉查找树的一种改进数据结构。它的主要特点是不会保证树一直是平衡的，但各种操作的平摊时间复杂度是O(log n)，因而，从平摊复杂度上看，二叉查找树也是一种平衡二叉树。另外，相比于其他树状数据结构（如红黑树，AVL树等），伸展树的空间要求与编程复杂度要小得多。</p>
<h1 id="splay算法解决的问题"><a href="#splay算法解决的问题" class="headerlink" title="splay算法解决的问题"></a>splay算法解决的问题</h1><p>考虑到局部性原理（刚被访问的内容下次可能仍会被访问，查找次数多的内容可能下一次会被访问），为了使整个查找时间更小，被查频率高的那些节点应当经常处于靠近树根的位置。这样，很容易得想到以下这个方案：每次查找节点之后对树进行重构，把被查找的节点搬移到树根，这种自调整形式的二叉查找树就是伸展树。每次对伸展树进行操作后，它均会通过旋转的方法把被访问节点旋转到树根的位置。</p>
<p>为了将当前被访问节点旋转到树根，我们通常将节点自底向上旋转，直至该节点成为树根为止。“旋转”的巧妙之处就是在不打乱数列中数据大小关系（指中序遍历结果是全序的）情况下，所有基本操作的平摊复杂度仍为O（log n）。</p>
<p>伸展树主要有三种旋转操作，分别为单旋转，一字形旋转和之字形旋转。为了便于解释，我们假设当前被访问节点为X，X的父亲节点为Y（如果X的父亲节点存在），X的祖父节点为Z（如果X的祖父节点存在）。</p>
<h2 id="单旋转"><a href="#单旋转" class="headerlink" title="单旋转"></a>单旋转</h2><p>节点X的父节点Y是根节点。这时，如果X是Y的左孩子，我们进行一次右旋操作；如果X 是Y 的右孩子，则我们进行一次左旋操作。经过旋转，X成为二叉查找树T的根节点，调整结束。</p>
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<h2 id="一字型旋转"><a href="#一字型旋转" class="headerlink" title="一字型旋转"></a>一字型旋转</h2><p>节点X 的父节点Y不是根节点，Y 的父节点为Z，且X与Y同时是各自父节点的左孩子或者同时是各自父节点的右孩子。这时，我们进行一次左左旋转操作或者右右旋转操作。</p>
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<h2 id="之字形旋转"><a href="#之字形旋转" class="headerlink" title="之字形旋转"></a>之字形旋转</h2><p>节点X的父节点Y不是根节点，Y的父节点为Z，X与Y中一个是其父节点的左孩子而另一个是其父节点的右孩子。这时，我们进行一次左右旋转操作或者右左旋转操作。</p>
<img src="/2020/08/15/00%E7%AE%97%E6%B3%95%E4%B8%8E%E6%95%B0%E6%8D%AE%E7%BB%93%E6%9E%84/03%E4%BC%B8%E5%B1%95%E6%A0%91(splay)/3.jpeg" srcset="/img/loading.gif" lazyload class="">

<h1 id="伸展树区间操作"><a href="#伸展树区间操作" class="headerlink" title="伸展树区间操作"></a>伸展树区间操作</h1><p>在实际应用中，伸展树的中序遍历即为我们维护的数列，这就引出一个问题，怎么在伸展树中表示某个区间？比如我们要提取区间[a,b]，那么我们将a前面一个数对应的结点转到树根，将b 后面一个结点对应的结点转到树根的右边，那么根右边的左子树就对应了区间[a,b]。原因很简单，将a 前面一个数对应的结点转到树根后， a 及a 后面的数就在根的右子树上，然后又将b后面一个结点对应的结点转到树根的右边，那么[a,b]这个区间就是下图中B所示的子树。</p>
<img src="/2020/08/15/00%E7%AE%97%E6%B3%95%E4%B8%8E%E6%95%B0%E6%8D%AE%E7%BB%93%E6%9E%84/03%E4%BC%B8%E5%B1%95%E6%A0%91(splay)/4.jpeg" srcset="/img/loading.gif" lazyload class="">

<p>利用区间操作我们可以实现线段树的一些功能，比如回答对区间的询问（最大值，最小值等）。具体可以这样实现，在每个结点记录关于以这个结点为根的子树的信息，然后询问时先提取区间，再直接读取子树的相关信息。还可以对区间进行整体修改，这也要用到与线段树类似的延迟标记技术，即对于每个结点，额外记录一个或多个标记，表示以这个结点为根的子树是否被进行了某种操作，并且这种操作影响其子结点的信息值，当进行旋转和其他一些操作时相应地将标记向下传递。</p>
<p>与线段树相比，伸展树功能更强大，它能解决以下两个线段树不能解决的问题：</p>
<p>（1） 在a后面插入一些数。方法是：首先利用要插入的数构造一棵伸展树，接着，将a 转到根，并将a 后面一个数对应的结点转到根结点的右边，最后将这棵新的子树挂到根右子结点的左子结点上。</p>
<p>（2）  删除区间[a,b]内的数。首先提取[a,b]区间，直接删除即可。</p>
<h1 id="已知应用"><a href="#已知应用" class="headerlink" title="已知应用"></a>已知应用</h1><ul>
<li>squid 4中的内存池使用了伸展树</li>
<li>轻量级web服务器lighttpd中用到数据结构splay tree<h1 id="参考"><a href="#参考" class="headerlink" title="参考"></a>参考</h1><a target="_blank" rel="noopener" href="http://dongxicheng.org/structure/splay-tree/">http://dongxicheng.org/structure/splay-tree/</a></li>
</ul>

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                <p class="note note-warning">
                  
                    本博客所有文章除特别声明外，均采用 <a target="_blank" href="https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.zh" rel="nofollow noopener noopener">CC BY-SA 4.0 协议</a> ，转载请注明出处！
                  
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